Nhà vật lý đánh cược rằng lực hấp dẫn không thể bị lượng tử hóa | Tạp chí lượng tử

Hầu hết các nhà vật lý mong đợi rằng khi chúng ta phóng to cấu trúc của thực tế, sự kỳ lạ không trực quan của cơ học lượng tử vẫn tồn tại ở quy mô rất nhỏ nhất. Nhưng trong những bối cảnh đó, cơ học lượng tử va chạm với lực hấp dẫn cổ điển theo một cách hoàn toàn không tương thích.

Vì vậy, trong gần một thế kỷ, các nhà lý thuyết đã cố gắng tạo ra một lý thuyết thống nhất bằng cách lượng tử hóa lực hấp dẫn, hoặc điêu khắc nó theo các quy tắc của cơ học lượng tử. Họ vẫn chưa thành công.

Jonathan Oppenheim, người điều hành một chương trình khám phá các giải pháp thay thế hậu lượng tử tại Đại học College London, nghi ngờ rằng đó là bởi vì lực hấp dẫn đơn giản là không thể nén vào một hộp lượng tử. Ông lập luận rằng có thể giả định của chúng ta rằng nó phải được lượng tử hóa là sai. “Quan điểm đó đã ăn sâu,” anh nói. “Nhưng không ai biết sự thật là gì.”

Các lý thuyết lượng tử dựa trên xác suất hơn là điều chắc chắn. Ví dụ, khi bạn đo một hạt lượng tử, bạn không thể dự đoán chính xác nơi bạn sẽ tìm thấy nó, nhưng bạn có thể dự đoán khả năng nó sẽ được tìm thấy ở một nơi cụ thể. Hơn nữa, bạn càng chắc chắn về vị trí của một hạt thì bạn càng ít chắc chắn hơn về động lượng của nó. Trong thế kỷ 20, các nhà vật lý dần dần hiểu được điện từ và các lực khác bằng cách sử dụng khuôn khổ này. 

Nhưng khi họ cố gắng lượng tử hóa lực hấp dẫn, họ gặp phải những vô hạn không tự nhiên mà phải vượt qua bằng những thủ thuật toán học vụng về.

 Các vấn đề nảy sinh vì lực hấp dẫn là kết quả của chính không-thời gian, chứ không phải là thứ gì đó tác động lên nó. Vì vậy, nếu lực hấp dẫn bị lượng tử hóa, điều đó có nghĩa là không-thời gian cũng bị lượng tử hóa. Nhưng điều đó không hiệu quả, bởi vì lý thuyết lượng tử chỉ có ý nghĩa đối với nền không-thời gian cổ điển - bạn không thể thêm và sau đó phát triển các trạng thái lượng tử trên một nền tảng không chắc chắn. 

Để đối phó với xung đột khái niệm sâu sắc này, hầu hết các nhà lý thuyết chuyển sang lý thuyết dây, lý thuyết tưởng tượng rằng vật chất và không-thời gian xuất hiện từ các dây nhỏ và dao động. Một phe nhỏ hơn tìm cách lặp lại lực hấp dẫn lượng tử, vốn thay thế không-thời gian trơn tru của thuyết tương đối rộng của Einstein bằng một mạng lưới các vòng lồng vào nhau. Trong cả hai lý thuyết, thế giới cổ điển, quen thuộc của chúng ta bằng cách nào đó xuất hiện từ những khối xây dựng lượng tử cơ bản này. 

Oppenheim ban đầu là một nhà lý thuyết dây, và các nhà lý thuyết dây tin vào tính ưu việt của cơ học lượng tử. Nhưng anh nhanh chóng cảm thấy không thoải mái với những trò nhào lộn toán học phức tạp mà các đồng nghiệp của anh đã thực hiện để giải quyết một trong những vấn đề nổi tiếng nhất trong vật lý hiện đại: Nghịch lý thông tin lỗ đen. 

Vào năm 2017, Oppenheim bắt đầu tìm kiếm những giải pháp thay thế tránh được nghịch lý thông tin bằng cách lấy cả thế giới lượng tử và thế giới cổ điển làm nền tảng. Anh tình cờ gặp một số người bị bỏ qua nghiên cứu trên lượng tử-cổ điển lý thuyết lai từ những năm 1990, mà anh ấy đã mở rộng và khám phá kể từ đó. Bằng cách nghiên cứu mối quan hệ của thế giới cổ điển và thế giới lượng tử, Oppenheim hy vọng tìm ra một lý thuyết sâu sắc hơn, không phải là lượng tử hay cổ điển, mà là một loại lai ghép nào đó. Anh ấy nói: “Thường thì chúng tôi đặt tất cả trứng vào một vài giỏ, khi có rất nhiều khả năng. 

Để làm rõ quan điểm của mình, Oppenheim gần đây đặt cược với Geoff Penington và Carlo Robelli — các nhà lãnh đạo trong các lĩnh vực tương ứng của họ về lý thuyết dây và lực hấp dẫn lượng tử vòng. Tỷ lệ cược? 5,000 ăn 1. Nếu linh cảm của Oppenheim là đúng và không-thời gian không bị lượng tử hóa, thì anh ta sẽ giành được những xô khoai tây chiên, nhựa nhiều màu sắc quả bóng bazeda, hoặc những giọt dầu ô liu, tùy theo sở thích của anh ấy - miễn là mỗi món có giá nhiều nhất là 20 pence (khoảng 25 xu).

Chúng tôi gặp nhau trong một quán cà phê ở phía bắc Luân Đôn đầy sách, nơi anh ấy bình tĩnh giải quyết những lo lắng của mình về hiện trạng hấp dẫn lượng tử và tán dương vẻ đẹp đáng ngạc nhiên của những lựa chọn thay thế lai này. “Họ đưa ra tất cả các loại câu hỏi hết sức tế nhị,” anh nói. “Tôi thực sự mất phương hướng khi cố gắng hiểu những hệ thống này.” Nhưng anh vẫn kiên trì. 

“Tôi muốn 5,000 quả bóng bazinga của mình.”

Cuộc phỏng vấn đã được cô đọng và chỉnh sửa cho rõ ràng.

Tại sao hầu hết các nhà lý thuyết đều chắc chắn rằng không-thời gian bị lượng tử hóa?

Nó trở thành giáo điều. Tất cả các trường khác trong tự nhiên đều được lượng tử hóa. Có cảm giác rằng không có gì đặc biệt về lực hấp dẫn — nó chỉ là một trường giống như bất kỳ trường nào khác — và do đó chúng ta nên lượng tử hóa nó.

Là lực hấp dẫn đặc biệt trong quan điểm của bạn?

Đúng. Các nhà vật lý định nghĩa tất cả các lực khác dưới dạng các trường phát triển trong không-thời gian. Chỉ riêng lực hấp dẫn cho chúng ta biết về hình học và độ cong của chính không-thời gian. Không lực nào khác mô tả hình học nền phổ quát mà chúng ta đang sống giống như lực hấp dẫn.

Hiện tại, lý thuyết cơ học lượng tử tốt nhất của chúng ta sử dụng cấu trúc nền của không-thời gian này — mà lực hấp dẫn xác định. Và nếu bạn thực sự tin rằng lực hấp dẫn được lượng tử hóa, thì chúng ta sẽ mất cấu trúc nền tảng đó.

Bạn gặp phải những vấn đề gì nếu lực hấp dẫn là cổ điển và không bị lượng tử hóa?

Trong một thời gian dài, cộng đồng tin rằng về mặt logic, lực hấp dẫn là cổ điển là không thể vì việc kết hợp một hệ lượng tử với một hệ cổ điển sẽ dẫn đến sự không nhất quán. Vào những năm 1950, Richard Feynman đã hình dung ra một tình huống làm sáng tỏ vấn đề: Ông bắt đầu với một hạt khối lượng nằm trong sự chồng chất của hai vị trí khác nhau. Những vị trí này có thể là hai lỗ trên một tấm kim loại, như trong thí nghiệm hai khe nổi tiếng. Ở đây, hạt cũng hành xử giống như sóng. Nó tạo ra một hệ vân giao thoa gồm các sọc sáng và tối ở phía bên kia của các khe, khiến cho không thể biết nó đã đi qua khe nào. Trong các giải thích phổ biến, hạt đôi khi được mô tả là đi qua cả hai khe cùng một lúc.

Nhưng vì hạt có khối lượng nên nó tạo ra một trường hấp dẫn mà chúng ta có thể đo được. Và trường hấp dẫn đó cho chúng ta biết vị trí của nó. Nếu trường hấp dẫn là trường hấp dẫn cổ điển, chúng ta có thể đo nó với độ chính xác vô hạn, suy ra vị trí của hạt và xác định nó đã đi qua khe nào. Vì vậy, sau đó chúng ta có một tình huống nghịch lý - mô hình giao thoa cho chúng ta biết rằng chúng ta không thể xác định hạt đã đi qua khe nào, nhưng trường hấp dẫn cổ điển cho phép chúng ta làm điều đó.

Nhưng nếu trường hấp dẫn là lượng tử, thì không có nghịch lý - sự không chắc chắn xuất hiện khi đo trường hấp dẫn, và vì vậy chúng ta vẫn có sự không chắc chắn trong việc xác định vị trí của hạt.

Vì vậy, nếu lực hấp dẫn hoạt động theo cách cổ điển, thì bạn sẽ biết quá nhiều. Và điều đó có nghĩa là những ý tưởng ấp ủ từ cơ học lượng tử, chẳng hạn như sự chồng chất, bị phá vỡ?

Vâng, trường hấp dẫn biết quá nhiều. Nhưng có một kẽ hở trong lập luận của Feynman có thể cho phép lực hấp dẫn cổ điển hoạt động.

Lỗ hổng đó là gì?

Như hiện tại, chúng ta chỉ biết con đường mà hạt đã đi bởi vì nó tạo ra một trường hấp dẫn xác định làm cong không-thời gian và cho phép chúng ta xác định vị trí của hạt. 

Nhưng nếu sự tương tác giữa hạt và không-thời gian là ngẫu nhiên - hoặc không thể đoán trước - thì bản thân hạt không hoàn toàn quyết định trường hấp dẫn. Điều đó có nghĩa là việc đo trường hấp dẫn không phải lúc nào cũng xác định được hạt đã đi qua khe nào bởi vì trường hấp dẫn có thể ở một trong nhiều trạng thái. Sự ngẫu nhiên xuất hiện và bạn không còn nghịch lý nữa.

Vậy tại sao không có nhiều nhà vật lý nghĩ lực hấp dẫn là cổ điển?

Chà, về mặt logic, có thể có một lý thuyết trong đó chúng ta không lượng tử hóa tất cả các trường. Nhưng để một lý thuyết cổ điển về lực hấp dẫn nhất quán với mọi thứ khác được lượng tử hóa, thì lực hấp dẫn về cơ bản phải là ngẫu nhiên. Đối với nhiều nhà vật lý, điều đó là không thể chấp nhận được.

Tại sao?

Các nhà vật lý đã dành rất nhiều thời gian để cố gắng tìm ra cách hoạt động của tự nhiên. Vì vậy, ý tưởng rằng, ở một mức độ rất sâu xa, một điều gì đó cố hữu không thể đoán trước đang khiến nhiều người lo lắng.

Kết quả của các phép đo trong lý thuyết lượng tử dường như là xác suất. Nhưng nhiều nhà vật lý thích nghĩ rằng những gì xuất hiện dưới dạng ngẫu nhiên chỉ là hệ thống lượng tử và thiết bị đo lường tương tác với môi trường. Họ không coi đó là một số tính năng cơ bản của thực tế.

Bạn đang đề xuất gì thay thế?

Dự đoán tốt nhất của tôi là lý thuyết hấp dẫn tiếp theo sẽ là một thứ không hoàn toàn cổ điển cũng không hoàn toàn lượng tử, mà là một thứ hoàn toàn khác.

Các nhà vật lý chỉ đưa ra các mô hình gần đúng với bản chất. Nhưng như một nỗ lực nhằm đạt được một phép tính gần đúng hơn, tôi và các sinh viên của mình đã xây dựng một lý thuyết hoàn toàn nhất quán trong đó các hệ lượng tử và không-thời gian cổ điển tương tác với nhau. Chúng tôi chỉ cần sửa đổi một chút lý thuyết lượng tử và sửa đổi một chút thuyết tương đối rộng cổ điển để cho phép phá vỡ khả năng dự đoán cần thiết.

Tại sao bạn bắt đầu nghiên cứu những lý thuyết lai ghép này?

Tôi bị thúc đẩy bởi nghịch lý thông tin hố đen. Khi bạn ném một hạt lượng tử vào một lỗ đen và sau đó để lỗ đen đó bay hơi, bạn sẽ gặp phải một nghịch lý nếu bạn tin rằng các lỗ đen lưu giữ thông tin. Lý thuyết lượng tử tiêu chuẩn yêu cầu rằng bất kỳ vật thể nào bạn ném vào lỗ đen đều được bức xạ trở lại theo một cách hỗn loạn nhưng có thể nhận biết được. Nhưng điều đó vi phạm thuyết tương đối rộng, thuyết này cho chúng ta biết rằng bạn không bao giờ có thể biết về các vật thể đi qua chân trời sự kiện của lỗ đen.

Nhưng nếu quá trình bay hơi của lỗ đen là không xác định thì không có nghịch lý. Chúng ta không bao giờ biết được thứ gì đã bị ném vào lỗ đen vì khả năng dự đoán bị phá vỡ. Thuyết tương đối rộng là an toàn.

Vì vậy, tiếng ồn trong các lý thuyết lai lượng tử cổ điển này cho phép thông tin bị mất?

Chính xác. 

Nhưng bảo toàn thông tin là một nguyên tắc then chốt trong cơ học lượng tử. Mất điều này không thể dễ dàng ngồi với nhiều nhà lý thuyết.

Đúng. Đã có những cuộc tranh luận lớn về điều này trong những thập kỷ gần đây, và hầu hết mọi người đều tin rằng sự bốc hơi của lỗ đen là tất định. Tôi luôn phân vân vì điều đó.

Liệu các thí nghiệm có giải quyết được nếu lực hấp dẫn bị lượng tử hóa hay không?

Tại một số điểm. Chúng ta vẫn hầu như không biết gì về lực hấp dẫn ở quy mô nhỏ nhất. Nó thậm chí còn chưa được thử nghiệm ở cấp độ milimet, chứ chưa nói đến cấp độ của một proton. Nhưng có một số thử nghiệm thú vị sắp xuất hiện trực tuyến sẽ làm được điều đó.

Một là một phiên bản hiện đại của “thí nghiệm Cavendish,” tính toán độ mạnh của lực hấp dẫn giữa hai quả cầu chì. Nếu có sự ngẫu nhiên trong trường hấp dẫn, như trong các phép lai lượng tử-cổ điển này, thì khi chúng ta thử đo cường độ của nó, không phải lúc nào chúng ta cũng nhận được câu trả lời giống nhau. Trường hấp dẫn sẽ lắc lư xung quanh. Bất kỳ lý thuyết nào trong đó lực hấp dẫn về cơ bản là cổ điển đều có một mức nhiễu hấp dẫn nhất định.

Làm thế nào để bạn biết tính ngẫu nhiên này là bản chất của trường hấp dẫn chứ không phải tiếng ồn từ môi trường?

Bạn không. Lực hấp dẫn là một lực yếu đến mức ngay cả những thí nghiệm tốt nhất cũng đã có rất nhiều sự lắc lư trong đó. Vì vậy, bạn phải loại bỏ tất cả các nguồn tiếng ồn khác này càng nhiều càng tốt. Điều thú vị là các sinh viên của tôi và tôi đã chỉ ra rằng nếu những lý thuyết lai này là đúng, thì phải có một lượng nhiễu hấp dẫn tối thiểu. Điều này có thể đo được bằng cách nghiên cứu các nguyên tử vàng trong thí nghiệm hai khe. Những thí nghiệm này đã đặt ra giới hạn về việc lực hấp dẫn về cơ bản có phải là cổ điển hay không. Chúng tôi đang dần dần đạt được mức độ không xác định cho phép.

Mặt khác, có thí nghiệm nào chứng minh rằng lực hấp dẫn bị lượng tử hóa không?

Có thí nghiệm đề xuất tìm kiếm sự vướng víu qua trung gian của trường hấp dẫn. Vì sự vướng víu là một hiện tượng lượng tử, nên đó sẽ là một phép thử trực tiếp về bản chất lượng tử của lực hấp dẫn. Những thí nghiệm này rất thú vị, nhưng có lẽ phải mất nhiều thập kỷ nữa.